CN103227494A - 一种储能电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种储能电池管理系统。该系统采用分布式3层管理体系，包括底层BMU,中层BCMS和顶层BAMS。其中，底层BMU包括电压温度测量模块、补电放电均衡模块。中层BCMS是电池管理系统的核心，包括电压温度处理模块，均衡控制模块，继电器控制模块、AD采集模块，核心参数计算模块。顶层BAMS包括电池信息汇总模块、系统报警信息处理模块、BAMS_PCS通讯模块、BAMS_上层监控系统通讯模块。该系统三层结构内部使用CAN2.0B通讯协议实现信息传递。BAMS与能量转换PCS系统和上层监控系统通讯均采用Modbus TCP协议。本发明针对储能领域对电池管理系统的特殊要求，提出了一种可靠性高，功能齐全，通讯及时并稳定、管理系统架构比较完善的储能电池管理系统。
Description
—种储能电池管理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及新能源储能系统领域，特别涉及一种储能电池管理系统。
背景技术
[0002] 由于风能、太阳能等新能源发电其固有的间歇性、随机性的特点，会对电网的安全、稳定运行带来不利影响。发展储能技术，可以提高其运行质量。合理高效的电池管理系统对电池堆的寿命以及整个储能系统的安全性有着至关重要的作用。
[0003] 现有的电池管理系统大都是从电动汽车电池管理系统直接引用过来的，其服务电池容量小，功能单一，实时性较差。兆瓦级储能系统中的大容量电池串联，对电池的一致性管理提出了更严格的要求。电池在经过多次充放电后单体性能会产生不一致，导致电池整体性能变差，影响电池寿命和电池堆荷电状态SOC计算准确度。这就需要电池管理系统除了实时检测电池状态并及时上传给能量转换PCS系统和上层监控系统外，还需要有合理高效的均衡模块，对电池组可能出现的故障进行报警并保护电池本体的功能。
[0004] 本发明针对储能领域对电池管理系统的特殊要求，提出了一种可靠性高，功能齐全，通讯及时并稳定、管理系统架构比较完善的储能电池管理系统。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种系统构架比较完善的储能电池管理系统。所述系统可以对电池进行性能检测、一致性管理、并可以与能量转换PCS系统和上层监控系统实时通讯、根据实时状况保护电池本体。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0007] 一种储能电池管理系统，其特征在于:
[0008] 所述管理系统采用分布式3层管理体系，包括多个底层电池管理单元BMU、多个中层电池簇管理系统BCMS和一个顶层电池系统单元管理系统BAMS ；
[0009] 每一个底层电池管理单元BMU实现对对应电池单元的管理；
[0010] 每一个中层电池簇管理系统BCMS通过CAN总线实现对多个底层电池管理单元BMU的管理；
[0011] 所述顶层电池系统单元管理系统BAMS通过CAN总线管理全部的中层电池簇管理系统BCMS。
[0012] 其3层管理系统的名称解释为,BMU:电池管理单元(Battery Management Unit),主要完成单体电池信息采集。BCMS:电池簇管理系统(Battery Cluster ManagementSystem),负责管理I个电池串中的全部BMU JAMS:电池系统单元管理系统(Battery ArrayManagement System),负责管理I台PCS对应电池系统单元的全部BCMS。
[0013]进一步:
[0014] 所述系统底层BMU包括电压温度测量模块、电池管理芯片和底层CPU，所述电池管理芯片用于采集单体电池的 电压和温度信号，并通过串行通信SPI上传至底层CPU。[0015] 所述系统底层BMU还包括补电放电均衡模块，所述补电放电均衡模块包括补电均衡电路和放电均衡电路；其中，补电均衡电路采用独立DC-DC电源，所述的补电均衡电路输出端通过继电器控制与单体电池两极相连接，所述继电器受所述底层CPU控制开合；所述放电均衡电路由MOS开关管串联放电电阻后连接到单体电池两极构成，所述的MOS开关管由电池管理芯片控制通断。
[0016] 所述补电均衡电路还进一步包括一 BMU控制器、数字逻辑电路、继电器驱动电路，所述BMU控制器顺次连接数字逻辑电路和继电器驱动电路，BMU控制器接收底层CPU发出的控制信号后能够控制DC-DC电源的工作状态，并且通过继电器驱动电路选通相应的继电器以对相应的单体电池进行补电操作。
[0017] 所述系统中层BCMS包括电压温度处理模块、均衡控制模块、继电器控制模块、AD采集模块、核心参数计算模块。
[0018] 其中，电压温度处理模块根据系统底层BMU上传的单体电池的电压和电池箱多点温度信号计算电池的单体最高电压、单体最低电压、单体平均电压、电池箱最高温度、电池箱最低温度、电池箱平均温度，并对产生异常数据的电池单体进行定位；
[0019] 所述均衡控制模块输出均衡指令至每个底层电池管理单元BMU，控制补电放电均衡模块。其中，每次均衡最多只对一路单体电池进行补电，同时对小于等于四路单体电池进行放电；
[0020] 所述继电器控制模块包括控制风扇继电器开合和控制电池串切换继电器开合。所述的电池串是由各BMU管理的电池箱单元串联而成。
[0021] 所述系统中层BCMS还进一步包括AD采集模块，进行电池串电流采集、电池串电压米集和漏电流米集。
[0022] 所述系统中层BCM S还进一步包括核心参数计算模块，用于电池荷电状态SOC计算，累计充电放电安时计算，最大充电电流和最大放电电流计算。
[0023] 所述系统中层BCMS采用双CPU模式，从CPU定时采样电池串电流并计算电流积分，再通过串行通信接口 SCI将电流和安时数传递给主CPU。
[0024] 所述系统顶层BAMS由电池信息汇总模块、系统报警信息处理模块、BAMS_PCS通讯模块、BAMS_上层监控系统通讯模块组成。
[0025] 所述电池信息汇总模块进行电池单体电压、电池箱温度、电池串电流、电池串电压、SOC、CAN通讯心跳信号、风扇继电器和电池串切换继电器状态信息的汇总；
[0026] 所述系统顶层BAMS的系统报警信息处理模块根据电池信息汇总模块汇总的电池信息进行电池事故报警；
[0027] 所述BAMS_PCS通讯模块主要与能量转换PCS系统交换数据，所述BAMS_上层监控系统通讯模块主要与上层监控系统交换数据；
[0028] 所述管理系统内部3层结构之间采用CAN2.0B协议。
[0029] 本发明具有以下有益效果:
[0030] 本发明针对储能领域对电池管理系统的特殊要求，提出了一种可靠性高，功能齐全，通讯及时并稳定、管理系统架构比较完善的储能电池管理系统。
附图说明[0031] 图1是本发明储能电池管理系统的3层分布式管理结构图；
[0032] 图2是底层BMU的主要工作原理示意图；
[0033] 图3是底层BMU补电均衡电路示意图；
[0034] 图4是底层BMU放电均衡电路示意图；
[0035] 图5是中层BCMS的主要工作原理示意图；
[0036] 图6是中层BCMS的主要功能模块说明图；
[0037] 图7是中层BCMS的均衡控制策略示意图；
[0038] 图8是中层BCMS的SOC计算与矫正控制策略示意图；
[0039] 图9是顶层BA MS的主要工作基础原理示意图。
具体实施方式
[0040] 现结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。
[0041] 如附图1所示，本发明揭示了一种储能电池管理系统，所述系统采用分布式3层管理体系，该系统包括底层BMU、中层BCMS和顶层BAMS。
[0042] 所述系统中一个电池箱作为一个电池单元，该电池单元由BMU进行管理，所述系统底层BMU包括电压温度测量模块和补电放电均衡模块。
[0043] 所述系统底层BMU电压温度测量模块主要通过电池管理芯片LTC6802实现。如附图2所示，一个LTC6802芯片可以采集12路电压信号以及2路温度信号。电压和温度信息通过SPI通讯传递给BMU的CPU。所述底层BMU可以通过多个LTC6802硬件扩展的方式实现更多路电压和温度信号的采集。
[0044] 所述系统BMU的补电放电均衡模块，补电均衡部分主要采用独立DC-DC电源，依靠切换继电器的方式，控制均衡电源所接入的负载。放电均衡部分采用外接MOS开关管串联放电电阻方式。如附图3所示，所述补电放电均衡模块的补电均衡部分电路为隔离的DC-DC电路，所述的补电电路输入为24V电源，所述的补电电路输出端通过继电器控制与单体电池两极相连接，所述的继电器受BMU上CPU控制开合。如附图4所示，所述补电放电均衡模块的放电均衡部分由电池管理芯片LTC6802外接MOS开关管串联放电电阻构成,所述的MOS开关管由LTC6802控制通断。
[0045] 所述系统底层BMU和中层BCMS使用CAN2.0通讯协议实现信息传递。如附图2所示，所述系统BCMS下发指令分为两类:第一类是均衡指令，第二类是访问请求指令。BMU收到BCMS的指令后，按照指令要求进行相应的动作及回复。
[0046] 如附图1所示，所述系统的多个BMU由中层BCMS统一管理，所述系统中层BCMS是电池管理系统的核心，包括电压温度处理模块、均衡控制模块、继电器控制模块、AD采集模块和核心参数计算模块。
[0047] 如图6所示，所述系统中层BCMS的电压温度处理模块，主要包括对以下参数的处理:单体最高电压、单体最低电压、单体平均电压、电池箱最高温度、电池箱最低温度、电池箱平均温度。
[0048] 所述系统中层BCMS的均衡控制模块，主要包括均衡补电控制模块和均衡放电控制模块。电压均衡控制每个BMU同时可对最多一路电池单体进行补电，控制每个LTC6802同时可对最多四路电池单体进行放电。具体均衡策略如附图7所示。本系统以单体电池的开路电压作为均衡判断依据，均衡只在电池静置较长时间或电流停止达到一定时间后进行，此时单体电压接近开路电压。由于均衡电流会导致被均衡单体的电压出现变化，为防止均衡电路的频繁切换，采取周期性均衡。
[0049] 所述系统中层BCMS的继电器控制模块包括控制风扇继电器开合和控制电池串切换继电器开合。所述的电池串是由各BMU管理的电池箱单元串联而成。每个电池箱中都安装有散热风扇，当电压温度处理模块中检测到的电池箱温度达到风扇开启或关闭阈值，风扇继电器动作；电池串切换继电器控制电池串接入PCS系统或者退出PCS系统。
[0050] 参阅图6，所述系统中层BCMS的AD采集模块，主要包括电池串电流采集、电池串电压采集和漏电流采集。如附图5所示，所述系统的BCMS采用双CPU模式，从CPU定时采样电池串电流并计算电流积分,再通过串行通信接口 SCI将电流和安时数传递给主CPU。
[0051] 所述系统中层BCMS和顶层BAMS使用CAN2.0通讯协议实现信息传递。参见图5，所述系统BAMS下发指令分为两类:第一类是控制指令，第二类是访问请求指令。BMU收到BCMS的指令后，按照指令要求进行相应的动作及回复。
[0052] 参阅图6，所述系统中层BCMS的核心参数计算模块，主要包括电池荷电状态SOC计算，累计充电放电安时计算，最大充电电流和最大放电电流计算。参阅图8，SOC采用电流积分的方法，在SOC在O〜10%以及90〜100%区间根据电池开路电压进行SOC校正。SOC和电池开路电压的具体对应关系由电池厂家提供。当电池充放电多次后，需要对电池的额定容量Cn进行修正。
[0053] 参阅图1，所述系统·的顶层BAMS负责多个BCMS的统一管理。BCMS和BAMS使用CAN2.0通讯协议实现信息传递。BAMS由电池信息汇总模块、系统报警信息处理模块、BAMS_PCS通讯模块、BAMS_上层监控系统通讯模块组成。
[0054] 参阅图9，所述系统顶层BAMS的电池信息汇总模块，包括电池单体电压、电池箱温度、电池串电流、电池串电压、SOC、CAN通讯心跳信号、风扇继电器和电池串切换继电器状态。
[0055] 参阅图9，所述系统顶层BAMS的系统报警信息处理模块，包括单体电压过压欠压报警、电池箱温度过温低温报警、单体电压压差报警、电池箱温度温差报警、电池串过流报警、电池串高压低压报警、SOC过大过小报警、绝缘报警等13项报警类别。13类报警类别都采用3级报警体系。第一级报警:初级报警，BAMS给PCS发出报警信号，不做动作处理。第二级报警:中级报警，BAMS给PCS发出报警信号，PCS做出相应的动作处理。第三级报警:高级报警，BAMS自己切断电池串切换继电器，断开电池串。
[0056] 参阅图9，所述系统顶层BAMS还进一步包括BAMS_PCS通讯模块和BAMS_上层监控系统通讯模块两部分。其中，BAMS_PCS通讯模块主要与能量转换PCS系统交换数据，BAMS_上层监控系统通讯模块主要与上层监控系统交换数据。BAMS_PCS通讯模块、BAMS_上层监控系统通讯模块与PCS和上层监控系统均采用Modbus/TCP协议交换数据。PCS 一共下发两类指令:第一类是控制指令，控制电池串的接入与切出。第二类是访问请求指令，请求BAMS上传电池关键信息，包括电池串电流、S0C、充放电电流限制值以及相关报警信息。上层监控系统只发送访问请求指令，要求BAMS上传电池全部信息，不参与对电池管理系统的控制。
Claims (10)
1.一种储能电池管理系统，其特征在于: 所述管理系统采用分布式3层管理体系，包括多个底层电池管理单元BMU、多个中层电池簇管理系统BCMS和一个顶层电池系统单元管理系统BAMS ； 每一个底层电池管理单元BMU实现对对应电池箱单元的管理； 每一个中层电池簇管理系统BCMS通过CAN总线实现对多个底层电池管理单元BMU的管理； 所述顶层电池系统单元管理系统BAMS通过CAN总线管理全部的中层电池簇管理系统BCMS。
2.如权利要求1所述的储能电池管理系统，其特征在于: 所述系统底层BMU包括电压温度测量模块、电池管理芯片和底层CPU，所述电池管理芯片用于采集单体电池的电压和电池箱多点温度信号，并通过串行通信SPI上传至底层CPU。
3.如权利要求2所述的储能电池管理系统，其特征在于: 所述系统底层BMU还包括补电放电均衡模块，所述补电放电均衡模块包括补电均衡电路和放电均衡电路； 其中，补电均衡电路采用独立DC-DC电源，所述的补电均衡电路输出端通过继电器控制与单体电池两极相连接，所述继电器受所述底层CPU控制开合。 所述放电均衡电路由MOS开关管串联放电电阻后连接到单体电池两极构成，所述的MOS开关管由电池管理芯片控制通断。
4.如权利要求3所述的储能电池管理系统，其特征在于: 所述补电均衡电路还进一步包括一 BMU控制器、数字逻辑电路、继电器驱动电路，所述BMU控制器顺次连接数字逻辑电路和继电器驱动电路，BMU控制器接收底层CPU发出的控制信号后能够控制DC-DC电源的工作状态，并且通过继电器驱动电路选通相应的继电器以对相应的单体电池进行补电操作。
5.如权利要求1所述的储能电池管理系统，其特征在于: 所述系统中层BCMS包括电压温度处理模块、均衡控制模块、继电器控制模块、核心参数计算模块。 其中，电压温度处理模块根据系统底层BMU上传的单体电池的电压和电池箱多点温度信号计算电池的单体最高电压、单体最低电压、单体平均电压、电池箱最高温度、电池箱最低温度、电池箱平均温度，并对产生异常数据的电池单体进行定位； 所述均衡控制模块输出均衡指令至每个底层电池管理单元BMU，控制补电放电均衡模块，其中，每次均衡最多只对一路单体电池进行补电，同时对小于等于四路单体电池进行放电； 所述继电器控制模块包括控制风扇继电器开合和控制电池串切换继电器开合，其中，所述的电池串是由各BMU管理的电池箱单元串联而成。
6.如权利要求5所述的储能电池管理系统，其特征在于: 所述系统中层BCMS还进一步包括AD采集模块，进行电池串电流采集、电池串电压采集和漏电流米集。
7.如权利要求5或6所述的储能电池管理系统，其特征在于: 所述系统中层BCMS还进一步包括核心参数计算模块，用于电池荷电状态SOC计算、累计充电放电安时计算、最大充电电流和最大放电电流计算。
8.如权利要求6或权利要求7所述的储能电池管理系统，其特征在于: 所述系统中层BCMS采用双CPU模式，从CPU定时采样电池串电流并计算电流积分，再通过串行通信接口 SCI将电流和安时数传递给主CPU。
9.如权利要求1所述的储能电池管理系统，其特征在于: 所述系统顶层BAMS由电池信息汇总模块、系统报警信息处理模块、BAMS_PCS通讯模块、BAMS_上层监控系统通讯模块组成； 所述电池信息汇总模块进行电池单体电压、电池箱温度、电池串电流、电池串电压、SOC、CAN通讯心跳信号、风扇继电器和电池串切换继电器状态信息的汇总； 所述系统顶层BAMS的系统报警信息处理模块根据电池信息汇总模块汇总的电池信息进行电池事故报警； 所述BAMS_PCS通讯模块主要与能量转换PCS系统交换数据，所述BAMS_上层监控系统通讯模块主要与上层监控系统交换数据。
10.如权利要求1所述的一种储能电池管理系统，其特征在于: 所述管理系统内部3层结构之间采用CAN2.0B协议。
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